數(shù)字技術(shù)將推動未來儀器發(fā)展
日期：2024-09-15 16:23
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摘要：
電子測量儀器的演變
電子測量儀器的演化與發(fā)展從總體上看沿著兩條主線展開。一是從所采用的技術(shù)上看,經(jīng)歷了模擬儀器、數(shù)字化儀器、智能儀器的發(fā)展過程;二是從儀器結(jié)構(gòu)(可擴展性)和實現(xiàn)形式上看,經(jīng)歷了單臺儀器、模塊化儀器和虛擬儀器的發(fā)展過程。這兩條發(fā)展主線的技術(shù)基礎(chǔ)都是微電子技術(shù)、數(shù)字信號處理技術(shù)、計算機技術(shù),并隨這些技術(shù)的發(fā)展以及深層次的逐漸結(jié)合而發(fā)展。
但無論儀器*終如何發(fā)展,任何一臺儀器測量系統(tǒng)都可概括為以下三個功能組塊:信號采集(包括傳感器電路、信號調(diào)理電路)、信號分析與處理、結(jié)果表達與輸出。一個具體的儀器各部分或許有增有減，總的架構(gòu)概莫能外。
不同儀器針對的測量對象不同,傳感器的形式也不同,但傳感器的作用相同,即把自然界的模擬量轉(zhuǎn)換成電信號(電壓或電流);信號變換和調(diào)理電路對來自傳感器的電信號進行放大、衰減、變換(包括變頻、檢波等)、濾波以及調(diào)整到適合于AD轉(zhuǎn)化的狀態(tài)。在可以預見的未來,各種傳感器、放大器、變換器還是模擬器件的領(lǐng)地。其中,傳感器是關(guān)鍵:傳感器決定了儀器的應用范圍;AD轉(zhuǎn)換器與信號變換調(diào)理電路共同決定儀器頻帶寬度和測量精度,當然AD的作用更為關(guān)鍵。
信號處理部分的數(shù)字化、軟件化是儀器發(fā)展的必然選擇,也是虛擬儀器的發(fā)展基礎(chǔ)。測量就是對信息的提取,而通過時域采樣獲得的數(shù)字信號中包含有大多數(shù)所需要的測量信息,從未來技術(shù)發(fā)展講,如何實時地將這些信息有效地提取出來是新一代測量儀器發(fā)展的瓶頸之一。
對測量對象進行數(shù)字信號處理,參數(shù)設置靈活,不引人額外的處理過程噪聲,可以擴大動態(tài)范圍和提高測量精度,同時增強了儀器的穩(wěn)定性、可靠性、靈活性。數(shù)字信號處理技術(shù)的應用,大大拓展了儀器的功能,儀器功能大小更多地取決于儀器的數(shù)字信號處理能力。強大的處理能力對同一被測信號進行不同形式的表征,讓測試者從不同的角度觀測同一信號,迅速達到測試目的。信號處理技術(shù)的應用,也大大拓展了儀器的使用范圍,儀器的使用已涉及到日常生活、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、**、航天等領(lǐng)域的各個方面。信號處理部分是發(fā)展*快、技術(shù)水平也*高的領(lǐng)域,在相當大的程度上決定一個國家的儀器水平,是行業(yè)核心競爭力的集中體現(xiàn)。
另外高速ADC也是決定未來測試儀器、特別是電子測試儀器發(fā)展方向的重要因素,目前高速ADC的采集帶寬已開始進入微波波段,這對目前微波儀器的技術(shù)體制將會產(chǎn)生越來越大的影響。但高速ADC的技術(shù)對一個國家整體技術(shù)水平,特別對IC技術(shù)水平有著極大的依賴關(guān)系,目前這方面的技術(shù)幾乎全被美國壟斷,這一點對國內(nèi)儀器發(fā)展的定位有著不可忽視的影響。
信號處理的技術(shù)路線
信號數(shù)字處理的實現(xiàn)途徑主要有兩種:一種是A/D十DSP(orFPGA)十D/A的形式;一種是A/D+CPU(含操作系統(tǒng))十D/A的形式。兩種結(jié)構(gòu)各有優(yōu)點。在運算能力上,DSP和CPU是運行軟件完成運算;而FPGA則是直接以硬件方式執(zhí)行算法,當對特定的運算進行分解、執(zhí)行流水操作和并行運算后,其運算速度大大超過DSP和CPU。在靈活性上CPU*好,DSP次之,FPGA欠佳;在開發(fā)周期和可維護性上,CPU*好,FPGA次之,DSP欠佳。采用DSP(FPGA)或者是CPU結(jié)構(gòu)要針對不同的測量對象而定。通常,DSP主要針對運算復雜,實時性要求高、但程序不太大,任務相對單一的場合:如頻譜分析儀,信號分析儀等。CPU主要針對運算復雜,需要大量的數(shù)據(jù)和程序存儲器,實時性要求適中,需要對測量數(shù)據(jù)進行復雜的分析和處理的場合上:如邏輯分析儀,網(wǎng)絡分析儀,生化分析儀等。
獨立儀器把上述信號采集、信號處理、結(jié)果輸出三部分放在一個獨立的機箱。有操作面板、信號輸入輸出端口、還有各種通信接口等。檢測結(jié)果輸出方式有數(shù)字、指針式表頭,圖形窗口等,可能還有打印輸出。這些功能塊全部以硬件或固化軟件的形式存在,這就決定了傳統(tǒng)儀器只能由廠家來定義、制造,而用戶無法改變。近幾年來,獨立儀器通常采用DSP(FPGA)結(jié)構(gòu)。從信息處理技術(shù)的發(fā)展上看,以FPGA為基礎(chǔ)的軟件硬件化是其重要的發(fā)展方向。
虛擬儀器把信號的分析與處理、結(jié)果的表達與輸出放到計算機上來完成,或在計算機上插上數(shù)據(jù)采集卡,把儀器的三個部分全部放到計算機上來實現(xiàn)。用軟件在屏幕上生成儀器控制面板,用軟件來進行信號分析和處理,完成多種多樣的測試;通過計算機屏幕形象的各種形式表達輸出檢測結(jié)果。突破了傳統(tǒng)儀器在數(shù)據(jù)處理、表達、傳送、存儲等方面的限制,達到傳統(tǒng)儀器無法比擬的效果。虛擬儀器通常采用CPU結(jié)構(gòu)。
電子技術(shù)的飛速發(fā)展使虛擬儀器與獨立儀器的界線已經(jīng)變得越來越模糊,許多獨立儀器的設計也采用了虛擬儀器的概念,比如許多公司新推出的數(shù)字示波器,概括地說就是通用計算機+專用硬件,只不過數(shù)字示波器中的AD轉(zhuǎn)換部分是高度集中的,內(nèi)部采用了通用計算機(PIII處理器,Windows操作系統(tǒng))作為系統(tǒng)控制和測量信號處理器,有上網(wǎng)功能,具有遠程測試和分析能力。其他一些新產(chǎn)品如邏輯分析儀也采用了類似的結(jié)構(gòu)。
在對實時性、復雜性要求都很高的場合,一般采用的是DSP+FPGA+CPU的混合結(jié)構(gòu),比如在無線機站測試儀中,FPGA用于碼片率處理部分,完成樣、相關(guān)、信道編解碼,而DSP則用于速度相對較低的符號率處理部分,CPU用于系統(tǒng)控制、測量分析和和數(shù)據(jù)通信。
關(guān)鍵技術(shù)
儀器在形式上不斷翻新,從獨立儀器、基于PC的卡式儀器、到基于VXI、CPCI、PXI模塊化的虛擬儀器,層出不窮,但其關(guān)鍵技術(shù)都是相通的。目前制約我國儀器發(fā)展行業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù),主要是對高速、高精度A/D、D/A、DSP和CPLD技術(shù)開發(fā)能力不足。A/D、D/A、DSP和CPLD技術(shù)即是電子儀器的關(guān)鍵技術(shù),也是通用技術(shù),這幾項技術(shù)在電子儀器中的應用,必然帶動性能指標的突破。
A/D是模擬信號到數(shù)字信號的橋梁,目前A/D的發(fā)展水平是：高精度A/D16bits 5MSPS;高速度A/D8bits1.8GSPS;速度和精度兼顧A/D14bits105MSPS。在A/D技術(shù)的應用中,還會涉及到相關(guān)技術(shù)的突破，比如，開發(fā)數(shù)字示波器，按現(xiàn)有可購買到的A/D器件水平,可實現(xiàn)單次采樣1GSPS的示波器。但要對采集數(shù)據(jù)進行處理。還必須能達到1MSPS高速數(shù)據(jù)進行存儲(如波形RAM16Mbyts)。國外儀器廠家已將示波器單次采集率提高到了20GSPS,要實現(xiàn)高達20GSPS的采樣率并對20GSPS高速數(shù)據(jù)進行連續(xù)存儲,只有在芯片級應用線路集成技術(shù)可實現(xiàn)。在芯片級進行開發(fā)我們目前還做不到,但利用現(xiàn)有的器件對500MSPS或1GSPS的采樣數(shù)據(jù)進行連續(xù)存儲是完全可能的。
目前D/A的發(fā)展水平是:高精度D/A16bits 5MSPS,高速度D/A14bits 1GSPS,速度和精度兼顧D/A14bits300MSPS。D/A技術(shù)可用轉(zhuǎn)換器,還需要高速存儲器,現(xiàn)在集成電路技術(shù)的發(fā)展已有1ns的砷化嫁RAM商品,但將大量砷化嫁RAM用到任意波形發(fā)生器上顯然價格過高,而且也消耗大量功率,比較經(jīng)濟的做法是用多路轉(zhuǎn)換的方案,允許波形存儲在相對低速的COMSRAM。
FPGA具有高的可重配置性、巨大的I/O帶寬、高速的運算能力,使其在儀器中的使用越來越廣泛,FPGA在儀器中的主要功能:完成系統(tǒng)控制邏輯,執(zhí)行運算速度快的算法,比如數(shù)字濾波,正交分解、數(shù)字解調(diào)、數(shù)字解碼、FFT等。**FPGA的時鐘頻率已高達250MHz,可提供25G次MAC的性能,遠遠大于現(xiàn)今*快的DSP的運算能力。
相對于FPGA,DSP可做到低功耗和很強的靈活性。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展,數(shù)字信號處理器件將在速度和性能上有很大的提高。然而,在DSP、FPGA以及CPU上實現(xiàn)用于測量的基本算法是相對穩(wěn)定的,針對某種測量的數(shù)字算法是可以通過的,跨平臺應用僅僅改變代碼而已。因此,在儀器開發(fā)中,數(shù)字信號處理算法比數(shù)字信號處理器件更重要。
目前,國外各種形式的數(shù)字示波器、任意波形發(fā)生器、移動通信基站測試儀發(fā)展很快,我國由于上述關(guān)鍵技術(shù)正在研究和開發(fā)中,只有一些低檔次的數(shù)字示波卡、任意波形發(fā)生卡,而**數(shù)字示波器、任意波形發(fā)生器和移動通信基站測試儀仍處于空白。
提高A/D、D/A的精度和速度滿足少數(shù)要求很高的場合還是尚待解決的任務,這需要從器件和電路設計兩個方面去解決。
結(jié)論
高速數(shù)字化采樣技術(shù)和DSP技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)開始對傳統(tǒng)測試儀器,包括現(xiàn)有的數(shù)字化儀器發(fā)展產(chǎn)生著深刻的影響,這種影響已經(jīng)不僅僅是停留在簡單的信號數(shù)字化方面。她孕育著對傳統(tǒng)儀器體系結(jié)構(gòu)(包括傳統(tǒng)測量方法、傳統(tǒng)儀器的定義分類等等)的深刻變革。這對國內(nèi)電子儀器的發(fā)展來講,更多的是一種機遇。如何盡早開展這方面的研究,特別是基礎(chǔ)理論和原創(chuàng)性技術(shù)的研究開發(fā),使我們在某些電子儀器技術(shù)領(lǐng)域首先實現(xiàn)跨越式追趕,是目前國內(nèi)電子儀器發(fā)展的重要課題。
電子測量儀器的演化與發(fā)展從總體上看沿著兩條主線展開。一是從所采用的技術(shù)上看,經(jīng)歷了模擬儀器、數(shù)字化儀器、智能儀器的發(fā)展過程;二是從儀器結(jié)構(gòu)(可擴展性)和實現(xiàn)形式上看,經(jīng)歷了單臺儀器、模塊化儀器和虛擬儀器的發(fā)展過程。這兩條發(fā)展主線的技術(shù)基礎(chǔ)都是微電子技術(shù)、數(shù)字信號處理技術(shù)、計算機技術(shù),并隨這些技術(shù)的發(fā)展以及深層次的逐漸結(jié)合而發(fā)展。
但無論儀器*終如何發(fā)展,任何一臺儀器測量系統(tǒng)都可概括為以下三個功能組塊:信號采集(包括傳感器電路、信號調(diào)理電路)、信號分析與處理、結(jié)果表達與輸出。一個具體的儀器各部分或許有增有減，總的架構(gòu)概莫能外。
不同儀器針對的測量對象不同,傳感器的形式也不同,但傳感器的作用相同,即把自然界的模擬量轉(zhuǎn)換成電信號(電壓或電流);信號變換和調(diào)理電路對來自傳感器的電信號進行放大、衰減、變換(包括變頻、檢波等)、濾波以及調(diào)整到適合于AD轉(zhuǎn)化的狀態(tài)。在可以預見的未來,各種傳感器、放大器、變換器還是模擬器件的領(lǐng)地。其中,傳感器是關(guān)鍵:傳感器決定了儀器的應用范圍;AD轉(zhuǎn)換器與信號變換調(diào)理電路共同決定儀器頻帶寬度和測量精度,當然AD的作用更為關(guān)鍵。
信號處理部分的數(shù)字化、軟件化是儀器發(fā)展的必然選擇,也是虛擬儀器的發(fā)展基礎(chǔ)。測量就是對信息的提取,而通過時域采樣獲得的數(shù)字信號中包含有大多數(shù)所需要的測量信息,從未來技術(shù)發(fā)展講,如何實時地將這些信息有效地提取出來是新一代測量儀器發(fā)展的瓶頸之一。
對測量對象進行數(shù)字信號處理,參數(shù)設置靈活,不引人額外的處理過程噪聲,可以擴大動態(tài)范圍和提高測量精度,同時增強了儀器的穩(wěn)定性、可靠性、靈活性。數(shù)字信號處理技術(shù)的應用,大大拓展了儀器的功能,儀器功能大小更多地取決于儀器的數(shù)字信號處理能力。強大的處理能力對同一被測信號進行不同形式的表征,讓測試者從不同的角度觀測同一信號,迅速達到測試目的。信號處理技術(shù)的應用,也大大拓展了儀器的使用范圍,儀器的使用已涉及到日常生活、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、**、航天等領(lǐng)域的各個方面。信號處理部分是發(fā)展*快、技術(shù)水平也*高的領(lǐng)域,在相當大的程度上決定一個國家的儀器水平,是行業(yè)核心競爭力的集中體現(xiàn)。
另外高速ADC也是決定未來測試儀器、特別是電子測試儀器發(fā)展方向的重要因素,目前高速ADC的采集帶寬已開始進入微波波段,這對目前微波儀器的技術(shù)體制將會產(chǎn)生越來越大的影響。但高速ADC的技術(shù)對一個國家整體技術(shù)水平,特別對IC技術(shù)水平有著極大的依賴關(guān)系,目前這方面的技術(shù)幾乎全被美國壟斷,這一點對國內(nèi)儀器發(fā)展的定位有著不可忽視的影響。
信號處理的技術(shù)路線
信號數(shù)字處理的實現(xiàn)途徑主要有兩種:一種是A/D十DSP(orFPGA)十D/A的形式;一種是A/D+CPU(含操作系統(tǒng))十D/A的形式。兩種結(jié)構(gòu)各有優(yōu)點。在運算能力上,DSP和CPU是運行軟件完成運算;而FPGA則是直接以硬件方式執(zhí)行算法,當對特定的運算進行分解、執(zhí)行流水操作和并行運算后,其運算速度大大超過DSP和CPU。在靈活性上CPU*好,DSP次之,FPGA欠佳;在開發(fā)周期和可維護性上,CPU*好,FPGA次之,DSP欠佳。采用DSP(FPGA)或者是CPU結(jié)構(gòu)要針對不同的測量對象而定。通常,DSP主要針對運算復雜,實時性要求高、但程序不太大,任務相對單一的場合:如頻譜分析儀,信號分析儀等。CPU主要針對運算復雜,需要大量的數(shù)據(jù)和程序存儲器,實時性要求適中,需要對測量數(shù)據(jù)進行復雜的分析和處理的場合上:如邏輯分析儀,網(wǎng)絡分析儀,生化分析儀等。
獨立儀器把上述信號采集、信號處理、結(jié)果輸出三部分放在一個獨立的機箱。有操作面板、信號輸入輸出端口、還有各種通信接口等。檢測結(jié)果輸出方式有數(shù)字、指針式表頭,圖形窗口等,可能還有打印輸出。這些功能塊全部以硬件或固化軟件的形式存在,這就決定了傳統(tǒng)儀器只能由廠家來定義、制造,而用戶無法改變。近幾年來,獨立儀器通常采用DSP(FPGA)結(jié)構(gòu)。從信息處理技術(shù)的發(fā)展上看,以FPGA為基礎(chǔ)的軟件硬件化是其重要的發(fā)展方向。
虛擬儀器把信號的分析與處理、結(jié)果的表達與輸出放到計算機上來完成,或在計算機上插上數(shù)據(jù)采集卡,把儀器的三個部分全部放到計算機上來實現(xiàn)。用軟件在屏幕上生成儀器控制面板,用軟件來進行信號分析和處理,完成多種多樣的測試;通過計算機屏幕形象的各種形式表達輸出檢測結(jié)果。突破了傳統(tǒng)儀器在數(shù)據(jù)處理、表達、傳送、存儲等方面的限制,達到傳統(tǒng)儀器無法比擬的效果。虛擬儀器通常采用CPU結(jié)構(gòu)。
電子技術(shù)的飛速發(fā)展使虛擬儀器與獨立儀器的界線已經(jīng)變得越來越模糊,許多獨立儀器的設計也采用了虛擬儀器的概念,比如許多公司新推出的數(shù)字示波器,概括地說就是通用計算機+專用硬件,只不過數(shù)字示波器中的AD轉(zhuǎn)換部分是高度集中的,內(nèi)部采用了通用計算機(PIII處理器,Windows操作系統(tǒng))作為系統(tǒng)控制和測量信號處理器,有上網(wǎng)功能,具有遠程測試和分析能力。其他一些新產(chǎn)品如邏輯分析儀也采用了類似的結(jié)構(gòu)。
在對實時性、復雜性要求都很高的場合,一般采用的是DSP+FPGA+CPU的混合結(jié)構(gòu),比如在無線機站測試儀中,FPGA用于碼片率處理部分,完成樣、相關(guān)、信道編解碼,而DSP則用于速度相對較低的符號率處理部分,CPU用于系統(tǒng)控制、測量分析和和數(shù)據(jù)通信。
關(guān)鍵技術(shù)
儀器在形式上不斷翻新,從獨立儀器、基于PC的卡式儀器、到基于VXI、CPCI、PXI模塊化的虛擬儀器,層出不窮,但其關(guān)鍵技術(shù)都是相通的。目前制約我國儀器發(fā)展行業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù),主要是對高速、高精度A/D、D/A、DSP和CPLD技術(shù)開發(fā)能力不足。A/D、D/A、DSP和CPLD技術(shù)即是電子儀器的關(guān)鍵技術(shù),也是通用技術(shù),這幾項技術(shù)在電子儀器中的應用,必然帶動性能指標的突破。
A/D是模擬信號到數(shù)字信號的橋梁,目前A/D的發(fā)展水平是：高精度A/D16bits 5MSPS;高速度A/D8bits1.8GSPS;速度和精度兼顧A/D14bits105MSPS。在A/D技術(shù)的應用中,還會涉及到相關(guān)技術(shù)的突破，比如，開發(fā)數(shù)字示波器，按現(xiàn)有可購買到的A/D器件水平,可實現(xiàn)單次采樣1GSPS的示波器。但要對采集數(shù)據(jù)進行處理。還必須能達到1MSPS高速數(shù)據(jù)進行存儲(如波形RAM16Mbyts)。國外儀器廠家已將示波器單次采集率提高到了20GSPS,要實現(xiàn)高達20GSPS的采樣率并對20GSPS高速數(shù)據(jù)進行連續(xù)存儲,只有在芯片級應用線路集成技術(shù)可實現(xiàn)。在芯片級進行開發(fā)我們目前還做不到,但利用現(xiàn)有的器件對500MSPS或1GSPS的采樣數(shù)據(jù)進行連續(xù)存儲是完全可能的。
目前D/A的發(fā)展水平是:高精度D/A16bits 5MSPS,高速度D/A14bits 1GSPS,速度和精度兼顧D/A14bits300MSPS。D/A技術(shù)可用轉(zhuǎn)換器,還需要高速存儲器,現(xiàn)在集成電路技術(shù)的發(fā)展已有1ns的砷化嫁RAM商品,但將大量砷化嫁RAM用到任意波形發(fā)生器上顯然價格過高,而且也消耗大量功率,比較經(jīng)濟的做法是用多路轉(zhuǎn)換的方案,允許波形存儲在相對低速的COMSRAM。
FPGA具有高的可重配置性、巨大的I/O帶寬、高速的運算能力,使其在儀器中的使用越來越廣泛,FPGA在儀器中的主要功能:完成系統(tǒng)控制邏輯,執(zhí)行運算速度快的算法,比如數(shù)字濾波,正交分解、數(shù)字解調(diào)、數(shù)字解碼、FFT等。**FPGA的時鐘頻率已高達250MHz,可提供25G次MAC的性能,遠遠大于現(xiàn)今*快的DSP的運算能力。
相對于FPGA,DSP可做到低功耗和很強的靈活性。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展,數(shù)字信號處理器件將在速度和性能上有很大的提高。然而,在DSP、FPGA以及CPU上實現(xiàn)用于測量的基本算法是相對穩(wěn)定的,針對某種測量的數(shù)字算法是可以通過的,跨平臺應用僅僅改變代碼而已。因此,在儀器開發(fā)中,數(shù)字信號處理算法比數(shù)字信號處理器件更重要。
目前,國外各種形式的數(shù)字示波器、任意波形發(fā)生器、移動通信基站測試儀發(fā)展很快,我國由于上述關(guān)鍵技術(shù)正在研究和開發(fā)中,只有一些低檔次的數(shù)字示波卡、任意波形發(fā)生卡,而**數(shù)字示波器、任意波形發(fā)生器和移動通信基站測試儀仍處于空白。
提高A/D、D/A的精度和速度滿足少數(shù)要求很高的場合還是尚待解決的任務,這需要從器件和電路設計兩個方面去解決。
結(jié)論
高速數(shù)字化采樣技術(shù)和DSP技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)開始對傳統(tǒng)測試儀器,包括現(xiàn)有的數(shù)字化儀器發(fā)展產(chǎn)生著深刻的影響,這種影響已經(jīng)不僅僅是停留在簡單的信號數(shù)字化方面。她孕育著對傳統(tǒng)儀器體系結(jié)構(gòu)(包括傳統(tǒng)測量方法、傳統(tǒng)儀器的定義分類等等)的深刻變革。這對國內(nèi)電子儀器的發(fā)展來講,更多的是一種機遇。如何盡早開展這方面的研究,特別是基礎(chǔ)理論和原創(chuàng)性技術(shù)的研究開發(fā),使我們在某些電子儀器技術(shù)領(lǐng)域首先實現(xiàn)跨越式追趕,是目前國內(nèi)電子儀器發(fā)展的重要課題。
